高層建筑基礎設計的幾點思考

張汝凱

山東民藝建筑設計有限公司 山東德州 253000

1 高層建筑地基基礎設計的重要性

對于建筑工程來說，特別是高層建筑工程最為重要的結構設計就是地基基礎設計。地基基礎設計具有比較大的難度，由于其埋設在地下深處，不但會受到地下水及其它不可預知因素的影響，同時也要受到場地周邊復雜的地質情況影響。從參考文獻中的相關數據可知，高層建筑的地基基礎以及地下室建設所消耗的費用占到整個土建工程造價近10%。如果遇到復雜的地質情況，需要進行特殊技術處理的地基基礎來說造價更是能夠達到近15%。另外，高層建筑的地基基礎質量直接決定了整座建筑的安全性和穩定性，影響著建筑功能的正常使用。因此，在進行基礎設計過程中要根據建筑的實際情況制定出不同的基礎形式和方案，通過嚴格的比選進而選擇出最優的基礎方案，以確保整個高層建筑的順利實施。

2 高層建筑基礎選型影響因素

2.1 地質條件

地質的穿越能力以及地下水對地基基礎的影響在設計階段對地基的選型都產生著重要的影響。地基持力層情況尤其是壓縮模量以及承載力對基礎形式的選擇極為重要。片筏基礎、箱形基礎、十字條基、柱下獨立基礎、無筋條基，設計人員在選擇的過程中需要考慮上部結構層數、地基持力層承載力，基礎經濟性等方面的要求。特別是持力層的承載力是考慮的核心要素之一。

2.2 上部結構

對于高層建筑而言，地下室本身就是箱形基礎，而地下室的底板有可以與片筏基礎的底板合二為一。設計過程中，地下室如果考慮為一個中空的構件，那么地下室底板所受到的浮力設計人員不僅需要進行局部的抗浮驗算，還需要進行整體的抗浮驗算。當地下室作為補償式基礎時，地基有效壓力增加使得基礎形成沉降，因此在設計過程中，需要選擇較為合適的基礎埋深，使得建筑物質量與地下室移去土的質量相平衡，從而控制沉降量。

2.3 樁基的尺寸

建筑材料、施工工藝、施工安全等方面的因素使得樁截面尺寸以及樁長受到限制。例如由于受鋼管長度的影響使得沉管灌注樁通常情況下不大于24米；考慮到安全方面的因素，人工挖孔灌注樁的長度不大于30米。受到工作空間、機械性能等影響樁基直徑，例如機具的性能限制使得樁基直徑小于800mm，人工挖孔樁因為人工操作空間的要求，通常情況下直徑大于800mm。

3 高層建筑基礎設計的方法

當前高層建筑基礎設計采用上部結構與地基、基礎共同作用的分析方法，這種方法中地基、基礎、上部結構之間同時滿足接觸點的靜力平衡以及接觸點的變形協調兩個條件，即將上部結構、基礎和地基三者看成是一個彼此協調的整體。這種從整體上進行相互作用的分析方法難度較大，計算量龐大，對計算機的性能及存儲量要求較高，只在較復雜或大型基礎設計時，按目前可行的方法考慮地基-基礎-上部結構的相互作用。共同作用分析方法的進步之處僅在于它考慮了上部結構的剛度，這一優勢是傳統設計方式所不具備的。

4 高層建筑結構基礎設計的優化策略

4.1 建筑基礎方案選擇

一般而言，建筑工程造價與施工難度直接與其所選基礎形式有關。因此，對于基礎形式的選擇，應以多層次、全方位、綜合性考量為基礎，對最佳目標予以科學選擇。（1）將現有巖土工程勘查資料作為分析依據，在對建筑基礎形式及布局進行研究中，要對場地工程地質情況、場地動力學參數、地基承載力、巖石物理學性質及地下水位等因素進行綜合考量，對現有資料進行科學分析，再結合上部結構形式，以編制最佳設計方案。（2）在對基礎布局及形式予以選擇時，還需要結合其與上部結構間相互作用情況予以考量。一般而言，在進行建筑結構設計時，通常會將二者分離開來分別考慮及進行動力分析。但由于此種方案在現實執行中存在諸多缺陷，通過計算獲得的基礎沉降量及基底應力與實際測量值之間差異很大。因此，在對基礎布局及形式予以選擇時，不能將基礎問題與上部結構分離開來進行，還需要對二者間相互作用因素考慮進去。

4.2 基礎結構的計算

在利用計算機對結構設計程序予以計算時，必須考慮以下幾點：（1）對計算自主性予以提升，盡可能減少對電子計算的依賴。在實踐中我們發現，很多錯誤均是因為電子計算出現錯誤導致的。所以，作為一名工程師或者建筑基礎設計人員，應減少對計算機計算的依賴，提升計算自主性。并對相關計算結果及數據反復核對，以免對后續設計造成影響。特別是對于基礎結構設計中載荷數據及相關尺寸的計算要反復進行，不斷審核，避免差錯發生。同時，對于相關數據的精準性、真實性要細致分析，避免其中的盲目性。（2）對計算結果要科學選用。在計算環節，通常會因為計算參數的差異而導致所得結果的不同。因而，對于結構計算設計而言，也并非所有結果都適用。這就需要工程師或者相關人員對獲得結果予以分析，合理選用。（3）計算模型及實際結構的不同。通常而言，計算程序由于其在設定過程中，是以理想和假定狀態為基礎的，因而，它與實際結果總會存在些許差異，實際結果的承受力與理想狀態及假設狀態之間總是存在距離的，它會隨著外在因素的改變而不斷發生變化。因此，在對結構基礎進行設計時，應將實際結果與模型所得結果反復比較，盡可能使二者相吻合，如果存在差距，則必須重新計算。

5 結語

高層建筑基礎工程設計過程中，在選型階段需要考慮地基持力層情況、上部結構情況、穿越土層情況等，在選擇樁基作為高層建筑基礎時需要對影響樁尺寸的因素進行考慮，從而最終設計形成安全、可靠、經濟、合理的高層建筑基礎。